Атомный уровень структурной организации материи
В природе, вокруг нас множество веществ, состоящих из атомов, не случайно этот элемент всего существующего был в основе познания действительности большую часть истории человечества. Атом (от др. греч. «неделимый») – наименьшая частица, действительно неделимая, в рамках простого химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Принято считать, что история атомизма начинается с Демокрита, Левкиппа (V в. до н. э.), которые предположили, что материя состоит из множества атомов – мельчайших неделимых частиц. Однако о жизни этих мыслителей нам ничего неизвестно, т. к. их труды не дошли до наших дней, но мы знаем о них по ссылкам последователей. Логика их рассуждений была крайне проста: если взять материальный объект, разделить его пополам, а затем половину еще разделить пополам и т. д. В конечном итоге получится столь мелкая часть, что дальнейшему делению пополам невозможна, это и будет атомом материи (неделимой ее частью). Эта идея об атомном строении материи сохранилась до XIX века, когда сформировались основы физики, химии, как отдельные науки. Химики оказались проворнее, проводя химические опыты, было обнаружено, что некоторые вещества, распадаются на компоненты, также состоящие из атомов. Например, атмосферный воздух состоит из нескольких простых частей, а ранее считалось, что это чистый газ, согласно древней теории воздух – одна из четырех стихий, наряду с землей, водой и огнем. Другой пример, вода распадается на водород и кислород, которые далее на составные части, состоящие из атомов, не распадаются, их и стали называть простыми химическими элементами.
Классификация простых химических элементов приведена в таблице Д. И. Менделеева (1834–1907), периодической системе химических элементов, открытой в 1869 году, став одним из величайших научных открытий, который является фундаментом мироздания. От него (от атомного уровня структурной организации материи) расходятся следующие уровни: более высший – молекулярный, состоящий из нескольких атомов, с последующей цепочкой вышестоящих уровней; и более низший уровень, состоящий из составных частей атома и последующих за ними элементарных частиц. Так, выстраивая последовательные цепочки уровней структурной организации материи, и будет строиться единая картина мира.
К тому времени было известно 63 химических элемента. Таблица построена в порядке возрастания атомного веса (массы), поэтому в таблице появилось много пустых клеточек, химические элементы которых были открыты позже, а Менделеев смог описать некоторые еще неведомые вещества. Менделеев три раза был представлен для получения нобелевской премии, но несправедливость заканчивалась лишь номинациями. И все же научный авторитет Менделеева был огромен, включающий более ста званий и титулов. Он был избран почетным членом всеми российскими и большинством зарубежных академий, университетов и научных обществ, а также награжден восемью орденами России и зарубежных стран.
Не вдаваясь глубоко в историю, как было отмечено ранее, следует признать существование более 600 видов периодической системы химических элементов. Даже краткий анализ этого увеличил бы объем данного раздела и книги в целом, т. к. в каждом последующем разделе подобных историй предостаточно. Однако с одной стороны единая картина мира должна включать основные варианты альтернативных теорий, что должно быть обязательным в учебном процессе, а с другой стороны единая картина мира должна быть по возможности краткой, чтобы была видна ее суть. В данной картине мира использованы наиболее распространенные теории, другие кратко упоминаются.
С появлением научного доказательства атомной теории в конце XIX века, появились мудрецы, опровергающие эту теорию. Так немецкая физическая наука, передовая наука того времени, находилась под влиянием энергетической теории, последователями которой были Джон Ринкен (1820–1872), Вильгельм Освальд (1853–1932), Эрнст Мах (1838–1916) и др., а также Макс Планк, которого позже принято считать основателем квантовой теории. Активным сторонником атомизма был Людвиг Больцман (1844–1906). Представители энергетизма отрицали существование атомов, недоступных для чувственного опыта (атом невозможно увидеть и ощутить). Спор между оппонентами был острым, как «тореро с быком». Планк в последствие писал: «Новая научная правда побеждает не потому, что удается переубедить оппонентов и заставить их прозреть, а больше потому, что оппоненты, в конце концов, умирают, уступая место новому поколению, для которых эта правда уже привычна». В словах Планка звучит горькая ирония, с которой он вспоминал эти дискуссии. Данное высказывание Планка справедливо не только для рассмотренного периода и теории атомизма, но и ко многим научным положениям, принятым с не совсем обоснованными доказательствами, а просто ученые договорились так считать.
Теория атомизма оказалась более убедительной в объяснении всех тепловых явлений как результат микроскопического движения атомов и молекул, из которых состоит материя. Когда рядом горячее и холодное тела, молекулы горячего тела посредством взаимного столкновения передают свою кинетическую энергию молекулам холодного тела. Эти объяснения, построенные на основании исследования излучений черного тела, сформулированы законы термодинамики, используемые до сих пор, а также Больцман открыл статистическую интерпретацию понятия энтропии. Энтропия тела S пропорциональна логарифму термодинамической вероятности определенного состояния системы W. Эту формулу можно увидеть на могиле Больцмана в Вене:
Коэффициент k = 1,3806488(13)*10-23 Дж*K-1 носит название постоянной Больцмана.
Некоторые варианты таблиц простых химических элементов вызваны своей необходимостью представления химических элементов в разных областях знания, например, геохимики, имеют свою таблицу по распространенности элементов в земной коре; некоторые исследования химиков-аналитиков выделяли свои группировки элементов. Своеобразно таблица периодической системы химических элементов представлена русским химиком Рыбниковым Ю. С. (1955 г. р.), основанной на истории русской науки, включая Менделеева. Его своеобразное представление формы таблицы и элементов в таблице очевидно связано в какой-то степени с энергетической теорией с единственным отступлением – признание атомов, но отрицание их составляющих – атомного ядра и последующих частиц.
Немного ранее предложен интересный вариант таблицы Менделеева академиком Болотовым Б. В. (1930 г. р.), за основу которого взят атом водорода, все остальные элементы являются производными от него, образованных в результате соединения нескольких водородных или других атомов. Это происходит с помощью преобразования энергии на более высоком уровне, чем в обычных химических реакциях и на более низшем уровне, чем в ядерных процессах. Так появилась химия второго поколения, химия первого поколения это все процессы химических преобразований: горения, взрыва, термические процессы – это процессы на уровне эВ, иногда на уровне КэВ. Болотов занимался атомными процессами в диапазоне энергии от 250 МэВ (расщепление урана) до эВ, которым наука не занималась. Это было названо химией второго поколения. В дополнение к элементам таблицы Менделеева появляются фрагменты элементов, т. е. пришлось отказаться от атомной модели Бора, т. к. она не все объясняет. Структура атома представляется в виде кристалла, образованного из электронно-позитронных пар, сближенных за счет кулоновских сил, как гантели, но не на столько, чтобы аннигилировать. Эти пары как нейтральные могут образовывать кристаллические структуры, в виде правильных геометрических фигур. Построено 9 таких тел, включая 5 платоновских конструкций и еще несколько, им даны свои названия: тетрон, кубон, ромбон и т. д. в соответствие с названием фигур. Это позволило построить таблицу, имеющую 9 рядов, в которой просматриваются физические законы и все закономерности таблицы Менделеева. Таблица построена в виде цилиндра, элементы усложняются по спиральной траектории, как по диагоналям, а также по зигзагам. На другой таблице изображены потенциалы ионизации элементов. Верхний углеродный ряд, имеющий высший потенциал ионизации, доходящий до 140 эВ. Далее идет боровский ряд, за ним бериллиевый, литиевый, гелиевый ряд, водородный и ниже ряды азота, кислорода и фтора – те же 9 рядов, что и в первой таблице. В первом ряду за углеродом следует хром с похожими свойствами, следующий элемент молибден, далее идет платина и т. д. Если к углероду, у которого 6 водородных атомов добавить еще водородный атом получится 7, можно сказать, что это азот, но он в другом месте, на изотоп тоже не похож, у него 6, для изобара не соответствует масса, здесь получается новый химический элемент азот со свойствами углерода, имеющий новые свойства. Элементы такого рода имеют общее название изостер. Таким образом таблица Менделеева в болотовском варианте имеет около 10 тысяч химических элементов.
В 90-х гг. XX в. Международный союз по теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) принял единую редакцию периодической системы химических элементов удлиненной формы, однако чаще встречается, особенно в учебных заведениях, та же таблица Менделеева укороченной формы. Иногда в других странах встречается данная таблица без указания имени Менделеева.
Структура атома, составными частями которого, согласно официально принятой теории, являются ядро, положительно заряженное, и электроны, имеющие отрицательный заряд, в свою очередь ядро состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, объединенных в единое целое ядерными и электромагнитными связями. Количество электронов равно количеству протонов. Подробнее о составных частях атома, как переходном, промежуточном звене с более низшем уровне структурной организации материи – уровне элементарных частиц, приведены в своем разделе, хотя некоторые их части, по мере необходимости, могут использоваться здесь.
В свою очередь каждый химический элемент, имеющий свои физические и химические свойства, является уровнем структурной организации материи внутри атомного уровня (их можно называть подуровнями атомного уровня), что расширяет картину мира, углубляясь в атомный уровень. Первым химическим элементом таблицы является водород, имеющий один протон и электрон. Каждому последующему химическому элементу добавлены пара протона с нейтроном и электрон. Так создается иерархическая лестница уровней структурной организации атомов Здесь в явном виде демонстрируется закон диалектики – переход количественных изменений в качественные, являющиеся квантами материи на каждом уровне структурной организации. Каждая ячейка таблицы Менделеева содержит: символ элемента, заряд ядра, который является порядковым номером элемента, название элемента, относительная атомная масса.
Сегодня таблица Менделеева содержит 118 или (можно считать) 126 элементов. В природе было обнаружено только 94 химических элемента, 24 открыты в лабораториях, а еще 8 являются гипотетическими вариантами. Общее количество простых химических элементов более 400, включая изотопы и аллотропные модификации. Изотопы остаются в атомном уровне, как уровень (подуровень) соответствующего химического элемента. Для наглядности таблицу Менделеева можно представить не плоской, как сейчас, а объемной, трехмерной: за каждым элементом, у которого есть изотопы, находится квадратики с параметрами изотопов. Аллотропные модификации, состоящие из двух и более атомов, относятся к другому более высшему – молекулярному уровню структурной организации материи.
Все элементы таблицы упорядочены не только по атомному весу (массе), но и по заряду ядра и электронной конфигурации, характеризующих химические и физические свойства атомов, а также свойства и формы, образуемых ими соединений. Следовательно, среди простых химических элементов, составляющих таблицу Менделеева, выделяются группировки, обладающие определенными качествами. Конструкция таблицы состоит из горизонтальных рядов, которые называются периодами и вертикальных рядов, называемых группами. В таблице 18 групп (согласно широкой формы таблицы) и 8 периодов. Номер периода показывает число энергетических уровней в атоме, а номер группы показывает число электронов на внешнем валентном слое.
Первый, второй и третий периоды называются малыми, с четвертого по восьмой называются большими периодами, которые состоят из двух рядов, четный и нечетный. Кроме того имеются еще два ряда, находящиеся за таблицей – лантаноиды и актиноиды. Любая группа состоит из двух подгрупп – главной и побочной. В главной подгруппе находятся элементы больших и малых периодов, в побочной группе находятся только элементы больших периодов. Каждую из перечисленных группировок следует рассматривать как свои цепочки уровней (подуровней) структурной организации атомов, т. к. они выделены по определенным качественным характеристикам.
В периоде увеличивается заряд ядра, увеличивается число электронов на внешнем энергетическом уровне, уменьшается радиус атома, т. к. с увеличением заряда атома, сила сжатия атома увеличивается и уменьшается способность атома отдавать электроны, т. е. металлические свойства ослабевают, а неметаллические усиливаются. В периоде увеличивается атомная электроотрицательность, т. е. способность атома притягивать к себе электроны от атомов других элементов. В группе увеличивается заряд ядра, увеличивается радиус атома, увеличивается способность атома отдавать электроны.
Кроме приведенных группировок химических элементов в таблице можно выделить блоки на основании общности их свойств:
S-блок включает первые две группы, т. е. щелочные и щелочноземельные металлы, а также водород и гелий. D-блок – это группы с 3 по 12, в которые входят все переходные металлы, в атомах которых появляются электроны на d- и f-орбиталях. p-блок состоит из последних шести групп с 13 по 18 и включает, помимо других элементов, все металлоиды. f-блок, выносимый обычно за пределы таблицы, состоит из лантаноидов и актиноидов.
Все приведенные группировки и даже электронные формулы атомов, выведенные по каждому химическому элементу, согласно правила формирования электронных конфигураций атомов по мере роста заряда ядра (правило Клечковского в 1951 г.), не отражают причины столь качественного различия химических элементов, таких как внешний вид, запах, температура плавления и т. п. Поэтому пришлось рассмотреть несколько примеров химических элементов с их свойствами.
Водород – первый элемент таблицы Менделеева назван Hydrogenium (лат.) в переводе «порождающий воду», обозначается Н, атом водорода имеет массу 1,0079 г/л. Он самый распространенный элемент во Вселенной, на его долю приходится около 88,6% всех атомов, являясь основной составной частью звезд и межзвездного газа. В условиях звёздных водород существует в виде плазмы, имея температуру, например поверхности Солнца ~ 6000°C, а в межзвёздном пространстве этот элемент существует в виде отдельных молекул, атомов и ионов.
В земных условиях водород является десятым по распространённости элементом, практически находясь в виде соединений, и лишь в очень незначительном количестве в виде простого вещества содержится в атмосфере. Являясь самым легким газом (в 14,5 раз легче воздуха), поэтому он находится в верхних слоях атмосферы. При комнатной температуре и нормальном давлении водород в виде газа не имеет вкуса, цвета и запаха. В жидком виде водород существует в очень узком интервале температур от —252,76 до —259,2°C. Это бесцветная жидкость, с плотностью 0,0708 г/см3 и вязкостью 13,8 сП. Ниже температуры —259,2°C водород превращается в твердое состояние в виде кристаллов снегоподобной массы.
В природе водород встречается в виде трех изотопов: 1H – протий (Н), 2Н – дейтерий (D), 3Н – тритий (T; радиоактивный, с периодом полураспада 12,32 года). Дейтерия в природе встречается в незначительном количестве, всего лишь 0,0115%. Тритий встречается в еще меньших количествах, образуясь главным образом при взаимодействии космических лучей со стабильными ядрами. Учеными искусственно получены тяжёлые радиоактивные изотопы водорода с массовыми числами 4–7 и периодами полураспада 10-21-10-23 с. Все изотопы являются уровнями структурной организации водорода и отличаются количеством нейтронов в ядре атома, а также свойствами, хотя у искусственных изотопов невозможно определить свойства из-за малого периода жизни.
Гелий с научным названием Helium (He) – химический элемент с номером 2,18-й группы периодической системы. Гелий образуется в термоядерных реакциях, из четырех атомов водорода получается один атом гелия с атомным весом 4. Инертный газ, бесцветный, не имеет запаха и вкуса. Он является одним из самых распространенных элементов, занимает второе место после водорода, и около 23% всей массы Вселенной. На Земле его содержится немного: в атмосфере 1 часть на 200 тыс., в земной коре около 8 частей на миллиард. При температуре —268,9°C гелий переходит в жидкое состояние. Твердый гелий удалось получить лишь под давлением 25 атмосфер при температуре около 1 K.
У гелия имеются природные изотопы: 3He, составляющий 0,00014%, остальное 4He. Получены ещё шесть искусственных радиоактивных изотопов, которые очень быстро распадаются на другие вещества.
Так, последовательно по атомным номерам химических элементов можно привести их качественные характеристики, но для краткости, приведенных примеров достаточно, чтобы показать принцип построения единой картины мира с главной цепью уровней структурной организации материи с разветвлениями подуровней и подподуровней. Таким же образом, следует рассматривать соседние и последующие уровни структурной организации материи, переходя как к более низшим, так и к более высшим уровням структурной организации материи, соблюдая последовательность иерархии до получения полной единой картины мира. Причем уровень структурной организации материи появляется там, где появляется новое качество материи, присущее только данному уровню, данной целостности, как квант, не являющийся суммой качеств составных частей данной целостности. Там, где нет нового качества, не может быть уровня структурной организации материи. Это закономерность проходит по всем уровня структурной организации материи.